開(kāi)放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分析

張開(kāi)驍　張佳妮　劉明熠　鄭鶴松　朱衛(wèi)華

摘 要 以“LED特性及其應(yīng)用”為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，幫助學(xué)生理解和掌握LED的基本原理及特性，結(jié)合TRIZ創(chuàng)新方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新研究，掌握技術(shù)應(yīng)用的基本方法與技能，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與技術(shù)應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞 TRIZ 創(chuàng)新方法 LED 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.03.047

Case Analysis of Open Innovative Experimental Teaching

ZHANG Kaixiao， ZHANG Jiani， LIU Mingyi， ZHENG Hesong， ZHU Weihua

（College OF Science， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098）

Abstract "Led characteristics and its application" for the innovation of experimental teaching cases to help students understand and grasp the led the basic principle and characteristics， combined with TRIZ innovation， guide the student to carry on the research on application and innovation， to master the basic methods and skills of application technology， a new spirit and technical application ability and the cultivation of students.

Key words TRIZ； innovative methods； LED； experimental teaching

0 引言

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用實(shí)踐，已經(jīng)成為目前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新常態(tài)，但目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還是沿用經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)模式也很難有新的突破，開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)中的開(kāi)放通常只能在選課模式、上課時(shí)間、上課地點(diǎn)等形式上做文章。當(dāng)前教育形勢(shì)下，創(chuàng)新在某種程度上已經(jīng)成為我們教學(xué)的理念與方向，如何在理論課堂和實(shí)驗(yàn)課堂上課堂上引導(dǎo)與營(yíng)造創(chuàng)新之氛圍是教學(xué)改革方向之一，其中，應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)激發(fā)學(xué)生興趣、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新想法到創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要，必將成為創(chuàng)新教學(xué)的有力工具。為進(jìn)一步推行開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提供一條可供普通高校實(shí)行的開(kāi)放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，我們針對(duì)“LED特性及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)，給出了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)詳細(xì)案例?！癓ED特性及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合目前第三代LED照明應(yīng)用革命的時(shí)代背景，主要致力于LED的原理及其應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容的研究，通過(guò)設(shè)立與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的多個(gè)開(kāi)放性研究課題（如LED發(fā)光特性、配光特性、光電轉(zhuǎn)換效率、發(fā)光角度、應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等研究），在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加強(qiáng)學(xué)生對(duì)應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，開(kāi)展研究型教學(xué)實(shí)踐，形成一個(gè)真正開(kāi)放、自由的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，為學(xué)生提供創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實(shí)踐和成果轉(zhuǎn)化提供助力。

1 TRIZ創(chuàng)新方法

TRIZ（發(fā)明問(wèn)題解決理論）創(chuàng)新方法是近年來(lái)剛發(fā)展起來(lái)的創(chuàng)新方法，與其它創(chuàng)新方法相比，具有理論體系結(jié)構(gòu)完整、指導(dǎo)性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前世界上最熱門的創(chuàng)新方法之一。TRIZ創(chuàng)新方法應(yīng)用目前存在兩種模式：一是在企業(yè)中推廣應(yīng)用，主要是通過(guò)TRIZ創(chuàng)新方法來(lái)尋找企業(yè)產(chǎn)品或生產(chǎn)過(guò)程中技術(shù)難題的解決方案；二是在通過(guò)學(xué)校先行普及TRIZ創(chuàng)新方法， 廣大學(xué)習(xí)者掌握了TRIZ創(chuàng)新方法后，在將來(lái)的生產(chǎn)中自覺(jué)或不自覺(jué)地應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新方法指導(dǎo)實(shí)踐。這兩種方法各有利弊，企業(yè)中的應(yīng)用需要有資深TRIZ創(chuàng)新方法專家指導(dǎo)應(yīng)用，學(xué)校普及TRIZ創(chuàng)新方法的教學(xué)成本很高，因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)人都需要掌握創(chuàng)新方法。

2 LED特性及其應(yīng)用

發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode）是一種PN結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，當(dāng)LED兩端加上一定的正向電壓后，N區(qū)一側(cè)導(dǎo)帶上的電子躍遷到P區(qū)一側(cè)，與P區(qū)的空穴復(fù)合并產(chǎn)生一定頻率的光子。不同材料的LED可以輻射不同頻率的光，即產(chǎn)生從紫外到紅外波段的不同單色光，理論上，紅、黃、藍(lán)三種顏色的LED可以配比成任意顏色的光源。而目前照明用的白光LED通常是通過(guò)短波長(zhǎng)的藍(lán)色LED激發(fā)熒光，形成寬譜的復(fù)合光源，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。與白熾燈泡和氖燈相比，LED具有工作電壓低、電流小、節(jié)能、環(huán)保、抗沖擊和抗震性好、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在許多電子設(shè)備中用作信號(hào)顯示器。近年來(lái)，由于藍(lán)光LED的發(fā)現(xiàn)，使得LED已經(jīng)成為第三代照明光源。研究LED光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、光強(qiáng)分布、波長(zhǎng)等參數(shù)性能及其應(yīng)用，已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的方向與要求。LED發(fā)光效率是指光通量與電功率之比，單位為lm/W，代表了光源的節(jié)能特性，是衡量現(xiàn)代光源性能的一個(gè)重要指標(biāo)；LED發(fā)光強(qiáng)度是表征LED在某個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)弱，因此研究LED的光強(qiáng)分布特性具有現(xiàn)實(shí)意義，比如顯示器的照明，如果LED在各個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度分布不均勻，必然會(huì)導(dǎo)致屏幕顯示的視角受到影響；LED的光譜特性在某些應(yīng)用場(chǎng)合特別重要，例如在消毒及醫(yī)療領(lǐng)域，不同波長(zhǎng)及強(qiáng)度的LED具有不同作用，常用的場(chǎng)所消毒需要波長(zhǎng)在260nm以下，而治療牛皮癬等皮膚病需要的波長(zhǎng)通常在360nm附近；此外，自半導(dǎo)體器件發(fā)明以來(lái)，半導(dǎo)體二級(jí)管在電路整形、檢波、開(kāi)關(guān)控制等方面得到廣泛應(yīng)用，發(fā)光二極管（LED）、半導(dǎo)體激光器（LD）的發(fā)明，促進(jìn)了光通訊在信息傳遞領(lǐng)域的飛速發(fā)展，與傳統(tǒng)照明方式相比，以大功率發(fā)光二極管為核心的固態(tài)照明方式，在能耗、發(fā)光效率、體積、壽命等方面有著顯著的優(yōu)越性。對(duì)于理工科的學(xué)生而言，認(rèn)識(shí)、了解LED的基本電學(xué)特性和光學(xué)特性，可以開(kāi)闊思路、激發(fā)靈感，在將來(lái)的工作生活實(shí)踐中，能夠更好地掌握、科學(xué)地應(yīng)用。

3 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

“LED特性及其應(yīng)用”創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在指導(dǎo)學(xué)生了解、熟悉、掌握LED原理及特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生專業(yè)實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新研究，掌握技術(shù)應(yīng)用的基本方法與技能，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與技術(shù)應(yīng)用及獨(dú)立工作能力。

“LED特性及其應(yīng)用”創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括3學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與3個(gè)學(xué)時(shí)的課外獨(dú)立創(chuàng)新應(yīng)用研究，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容為教師講解LED的基本原理并圍繞主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行TRIZ創(chuàng)新方法教學(xué)，“LED特性及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容包含半導(dǎo)體PN結(jié)的伏安特性及其應(yīng)用、發(fā)光二極管的伏安特性及其應(yīng)用、LED光強(qiáng)特性研究及其應(yīng)用、LED光譜特性及其應(yīng)用等幾個(gè)方面；課外創(chuàng)新應(yīng)用研究是學(xué)生在老師給出的選題方向上自主選題（或自行選擇與LED相關(guān)的選題），以課程論文或?qū)＠暾?qǐng)書(shū)的形式提交一份完整的課程報(bào)告，“LED特性及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)包含LED的應(yīng)用范圍研究、利用LED制作微型手電、LED交通信號(hào)燈、LED的壽命研究與分析、LED顯示屏研究、LED燈具檢測(cè)研究、LED 燈光譜對(duì)人體的影響研究、白光LED光譜分析、LED發(fā)光角度的調(diào)整方法等20多個(gè)選題方向，課外創(chuàng)新應(yīng)用研究教學(xué)模式是以學(xué)生為主體、教師起啟發(fā)和引導(dǎo)作用為原則，是教師提出問(wèn)題或目標(biāo)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案，自行完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在不確定性，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)研究能力。具體的教學(xué)組織形式為20人為一班，每3人一組，分成7個(gè)以下小組，提前一周進(jìn)行3學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；第二周安排兩天進(jìn)行分組循環(huán)，分7個(gè)時(shí)間段：第一天8：00～11：00、第一天12：00～15：00、第一天15：00～18：00、第一天18：00～21：00、第二天8：00～11：00、第二天12：00～15：00、第二天15：00～18：00，分組循環(huán)期間學(xué)生根據(jù)自己的選題，自行設(shè)計(jì)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，教師負(fù)責(zé)提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)配套。

“LED特性及其應(yīng)用”創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以最終解決方案為成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)依據(jù)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)首先面向部分對(duì)應(yīng)用創(chuàng)新感興趣，具有學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等基本科學(xué)素養(yǎng)的理工科大學(xué)生開(kāi)放，任課教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)與提交的方案質(zhì)量綜合評(píng)定最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)（五分制），具體方式為：基于某個(gè)具體問(wèn)題，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板（論文或?qū)＠┑母袷揭?，提交?wèn)題解決過(guò)程及最終優(yōu)化方案，教師分析方案新穎性、實(shí)用性及創(chuàng)造性，擇優(yōu)推薦申請(qǐng)專利或發(fā)表在相關(guān)刊物上。提交完整問(wèn)題解決方案并公開(kāi)發(fā)表者，實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)閮?yōu)，并優(yōu)先推薦參加校級(jí)、省級(jí)、國(guó)家級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目或相關(guān)創(chuàng)新競(jìng)賽。通過(guò)一定時(shí)間的實(shí)踐，“LED特性及其應(yīng)用”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)將會(huì)形成20個(gè)左右創(chuàng)新方案或創(chuàng)新報(bào)告、2～3篇教學(xué)及研究論文、5～10項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型或發(fā)明專利以及項(xiàng)目和競(jìng)賽獲獎(jiǎng)等一大批創(chuàng)新應(yīng)用成果。

4 總結(jié)

論文以“LED特性及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)驗(yàn)基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)立與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的多個(gè)開(kāi)放性研究課題，運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新方法分析、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新研究，掌握技術(shù)應(yīng)用的基本方法與技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情、增強(qiáng)實(shí)踐與應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙敏.引進(jìn)創(chuàng)新方法提高創(chuàng)新效率——TRIZ理論助力中國(guó)自主創(chuàng)新[J].科學(xué)，2008（6）.

[2] 張開(kāi)驍，趙萍萍，陳禮明，傅仁利，王勇.基于TRIZ創(chuàng)新方法的開(kāi)放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案[J].決策與信息，2015（23）.

[3] 呂亮，姜曉梅，趙志丹.LED光學(xué)參數(shù)的測(cè)量技術(shù)與LED國(guó)家光度標(biāo)準(zhǔn)的研究.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，2005.

[4] 張嘉寧.LED光源原理分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（4）.

[5] 張開(kāi)驍，張佳妮，應(yīng)海華，雷撼，張凱.TRIZ創(chuàng)新理論在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀改進(jìn)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（3）.

[6] 田國(guó)棟.LED光源的應(yīng)用探索[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（18）.

[7] 吳沖，劉兵，唐軍杰，翟博涵，盧貴武.發(fā)光二極管特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（2）.

[8] 中國(guó)LED節(jié)能燈網(wǎng).LED光學(xué)參數(shù)的測(cè)量技術(shù)概況.http：//www.100jnled.